Nanotecnologia: Nanomateriales y sus aplicaciones

Abstract

La nanotecnología apunta a ser la herramienta que a corto plazo generará los nuevos adelantos en ingeniería y por ende será el principal motor de desarrollo de la sociedad. La investigación aquí mostrada muestra en su primera parte algunos principios, características y alcances de la nanotecnología, para en base a ello identificar los más importantes campos de aplicación de esta nueva tecnología que pretende ser y que ya esta siendo un lugar en donde convergen las nuevas ideas para el desarrollo de las actuales y futuras generaciones, ya que los productos hasta ahora creados representan uno de los mercados con índices de mayor crecimiento y desarrollo. Éste articulo esta encaminado a proporcionar información sobre la nanotecnología para así formar un criterio técnico sobre el mismo y así cada uno generar nuestro propio punto de vista.

Palabras clave: Nanotecnología, Nanociencia, Nanomateriales

Introducción

En los últimos años, los avances en el desarrollo científico a escala atómica han permitido fortalecer un nuevo conocimiento, la nanotecnología, una ciencia con carácter transdisciplinario con la posibilidad de converger con otros tipos de conocimientos. "Todo lo que nos rodea, desde nuestros seres queridos a los bienes de consumo, está hecho de tan sólo 90 sustancias simples, a las que llamamos elementos químicos, que no pueden descomponerse en otras más sencillas" [1]. Lo citado anteriormente sin duda es una gran limitante para el avance de la tecnología e impide conseguir grandes innovaciones para el desarrollo de la sociedad. Pero sin duda es uno de los puntos de partida y de despegue de las nanociencias.

Inicialmente el articulo se fundamenta en el principio de que propiedades tanto electrónicas, ópticas, mecánicas o magnéticas de las nanopartículas son sensibles a su tamaño y se pueden modificar variando su forma y dimensiones, esto se debe a que a este nivel de manipulación del elemento se producen nuevos fenómenos físicos relacionados con los efectos cuánticos los cuales son los que causan la variación de las propiedades de la materia. Es aquí donde toma gran importancia las nanociencias y nanotecnologías ya que en este campo el estudio de las nanopartículas resultan muy atrayentes para fabricar nuevos dispositivos y materiales que podrían utilizarse en muchos campos de la ingeniería actual, los cuales llegarían a tener características extremadamente superiores a las de los dispositivos y materiales actuales.

"Las innovaciones basadas en nanotecnología darán respuesta a gran número de los problemas y necesidades de la sociedad y suponen un desafío para las actividades industriales y económicas, hasta el punto de que se considera el motor de la próxima revolución industrial" [2].

Nanotecnología

La nanotecnología trabaja en procesos científicos sobre tamaños de un nanómetro, o lo que es lo mismo, en tamaños mil veces más pequeños que un cabello humano, lo que le permite trabajar con átomos, moléculas y células. La nanotecnología se inserta directamente en el campo del diseño, lo que quiere decir, que conforman y sintetizan materiales a través del control de la materia a nanoescala para construir nanopartículas que tengan diferentes utilidades a las de la materia original. La nanotecnología aprovecha los nuevos fenómenos físicos relacionados con los efectos cuánticos que se presentan a esa escala de manipulación de la materia. La nanotecnología es una nueva tecnología convergente, lo que quiere decir que puede ser relacionada con otros tipos de conocimientos, lo que estimula a que aumente la potencialidad de sus aplicaciones.

Las propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas o mecánicas de las nanopartículas son muy sensibles a su tamaño y se pueden modificar variando la forma y dimensiones del compuesto. Por este motivo las nanopartículas resultan muy atractivas para fabricar dispositivos electrónicos y están destinados a tener un papel estelar en las nuevas tecnologías del siglo XXI [3]. Este es el principio de toda esta revolución llamada nanotecnología, y aunque el premio Nobel de Física 1965 Richard Feynman planteó una idea sobre la manipulación de la materia a escala manométrica en su famosa conferencia llamada  En el fondo hay espacio de sobra, tuvo problemas ya que en esa época no tenia los recursos tecnológicos para hacerlo, a pesar de ello, su idea quedó y por ello se lo llama el padre de la nanotecnología.

Nanociencia

La nanociencia es distinta a las otras ciencias porque aquellas propiedades que no se pueden ver a escala macroscópica adquieren importancia, como por ejemplo propiedades de mecánica cuántica y termodinámicas. En vez de estudiar materiales en su conjunto, los científicos investigan con átomos y moléculas individuales. Al aprender más sobre las propiedades de una molécula, es posible unirlas de forma muy bien definida para crear nuevos materiales con nuevas e increíbles características [4]. Ahora bien, con el concepto anterior claro podemos definir que las nanociencias se enfocan en el estudio de las propiedades de los átomos y moléculas, tanto propiedades físicas, biológicas y químicas de las nanoparticulas, además de la forma de producirlos y la manera de ensamblarlos con el fin de poder crear los nano-objetos.

Identificación de nanomateriales

• Materiales Nanoestructurados

Una fracción de material comúnmente posee en su interior moléculas organizadas en granos de dimensiones por lo general de micrómetros y milímetros de diámetro, estos granos están constituidos habitualmente con poblaciones de miles de millones de átomos. Una misma fracción de material nanoestructurado, posee poblaciones granulares inferiores a un par de miles de átomos y en donde los granos moleculares alcanzan un tamaño máximo de 100 nanómetros de diámetro. Entonces, los materiales nanoestructurados poseen el 0.001 por ciento de átomos en comparación con un material común de igual volumen, además los granos nanoestructurados son entre mil y cien veces más pequeños que los del material original. Todo esto conlleva a una mayor ligereza de peso y ahorro de materia, además de las nuevas características que adquieren y que potencian enormemente el material.

• Aplicaciones

Cerámicas nanoestructuradas, imanes permanentes de alta temperatura para motores de aviones; materiales ferromagnéticos, almacenamiento de información, refrigeración; catalizadores basados en hidrógeno; materiales para almacenamiento de hidrógeno; sensores y actuadores.

• Nanopartículas y Nanopolvos

Las Nanopartículas tienen unidades más grandes que las de los átomos y las moléculas, cuando menos una dimensión menos de los 100nm, obviamente estas nanoparticulas son creadas artificialmente en los laboratorios. Además otra de sus particularidades es que poseen características propias, es decir que no obedecen a la química cuántica, ni a las leyes de la física clásica.

En la actualidad el estudio de las nanopartículas es un área de intensa investigación científica, debido a una extensa variedad de potenciales aplicaciones. Entre los campos mas prometedores están los campos biomédicos, electrónicos y ópticos. Aunque por lo general las nanoparticulas están sirviendo para el perfeccionamiento e innovación de materiales ya existentes, existen también en el campo de la biomedicina nanoparticulas que han demostrado ser capaces de eliminar tumores y además de que éstas son biodegradables y orgánicas.

Figura 1. Nanopartículas. [6]

• Aplicaciones.

En la Biomedicina, sirve para la liberación de fármacos, tratamientos contra el cáncer. En la Ingeniería como sensores químicos, vidrios autolimpiables, tintas magnéticas y conductoras. Para el tratamiento de aguas con procesos fotocatalíticos, sirve para recubrimientos textiles repelentes de agua y suciedad. En el área de la electrónica para crear memorias de alta densidad, pantallas con dispositivos de emisión basados en óxidos conductores.

• Nanocápsulas

La mayor aplicación de las nanocápsulas está sin duda en el campo de la medicina, ya sea para combatir enfermedades o ayudar con la liberación de fármacos en puntos específicos dentro del cuerpo humano. Además el desarrollo de las nanocápsulas se enfoca en intervenir las mismas para que se acumulen en un punto deseado, la principal vía para lograr este objetivo es posiblemente modificar las propiedades físico-químicas de las nanocápsulas. La investigación acerca de las nanocápsulas aspira solucionar los problemas que aparecen, como son los efectos secundarios de los fármacos además de  complicaciones en el tratamiento de la enfermedad.

Figura 2. Nanocapsulas. [7]

• Aplicaciones

Liberación de fármacos, industria de la alimentación, cosméticos, tratamiento de aguas residuales, componentes de adhesivos, aditivos aromáticos en tejidos, fluidos magnéticos [12].

• Nanotubos de Carbono

Tal vez uno de los nanomateriales mas interesantes y con mayor potencial de aplicación sean los nanotubos. Son estructuras cilíndricas con diámetro nanométrico. Aunque pueden ser de distinto material, los más conocidos son los de silicio pero principalmente, los de carbono ya que unas de las principales características de este último son su gran conductividad, y sus propiedades térmicas y mecánicas. Existen diferentes tipos de estructuras para formar un nanotubo, siendo la estructura, la influencia principal que decida las características finales como lo son las eléctrica, térmicas o mecánicas del nanotubo.

Debido a la importancia de los nanotubos, aquí se presenta brevemente su historia; en 1991 Sumio Iijima, descubrió los nanotubos que desde ahí han revolucionado la nanociencia. Él encontró un cilindro hueco que se había formado en la punta de un electrodo de grafito, tenía un diámetro de unos pocos nanómetros y una longitud de unas cuantas micras. Estaba hecha de carbono puro, había descubierto los nanotubos de carbono. Desde su descubrimiento hasta la actualidad, las aplicaciones reales y potenciales de los nanotubos van creciendo de forma impresionante. En su conjunto el material constituido es un perfecto semiconductor por lo que es posible que los nanotubos de carbono desempeñen el mismo papel que realizo el silicio en los circuitos electrónicos en su debido momento, pero ahora a escala molecular, donde los demás semiconductores dejan de funcionar.

Estas características auguran que los nanotubos representan el futuro de los dispositivos en la electrónica debido a su alta velocidad de funcionamiento y además de otros usos relacionados que se les pueden dar. De momento, con los nanotubos de carbono ya se han fabricado componentes básicos de los ordenadores, siendo el próximo paso, construir circuitos electrónicos y siendo optimistas en pocos años fabricar ordenadores basados en nanotecnología.

Figura 3. Nanotubos de Carbono. [8]

• Propiedades de los nanotubos de Carbono

• Propiedades eléctricas

Al tener en cuenta la complejidad electrónica de los nanotubos, además de las reglas cuánticas que rigen la conductividad, la conducción en los nanotubos de carbono se transforma a un tipo de conducción cuántica, en ocasiones los nanotubos incluso pueden presentar superconductividad. Normalmente en un dispositivo común si se representa voltaje frente a intensidad de corriente se obtiene una línea recta, o sea, V=IR, cosa diferente sucede con los nanotubos de carbono y la conducción cuántica que muestra no es directamente proporcional, sino que ahora su gráfica presenta una línea escalonada ya que la conductividad de los nanotubos es 3 órdenes de magnitud mayor que la de los materiales actualmente usados (respecto al cobre que es el material mas usado). Su conductividad depende de relaciones geométricas, o sea, del número de capas, su torsión o diámetro. Otro aspecto importante a resaltar es que estos valores además de la resistencia del nanotubo no dependen de su longitud, a diferencia de lo que ocurre con los cables normales en donde su resistencia es directamente proporcional a su longitud.

Propiedades mecánicas

Actualmente es la fibra más resistente que se puede fabricar, esta capacidad se debe a la estabilidad y robustez de los enlaces entre los átomos de carbono. Ahora bien, al hablar de deformación también este nanomaterial posee grandes ventajas ya que frente a esfuerzos de deformación muy intensos son capaces de hacerlo enormemente y de mantenerse en un régimen elástico. Esta última característica también se puede mejorar al hacer que varios tubos se unan como una cuerda, de este modo al romperse un nanotubo, la fractura no se propagaría a los demás nanotubos ya que son independientes. En general, ante pequeños esfuerzos los nanotubos pueden funcionar como resortes extremadamente firmes o pueden deformarse drásticamente y volver posteriormente a su forma original frente a cargas mayores. En general es común aceptar que los nanotubos son 100 veces más resistentes que el acero, y 6 veces más ligeros.

Propiedades térmicas

Son enormemente estables térmicamente, tanto para valores en el vacío como para mediciones en el aire, estas mediciones están referenciadas a valores estándar utilizados para la medición de materiales de cualquier tipo. Además, las propiedades de los nanotubos pueden modificarse atrapando metales o inclusive gases en su interior.

• Aplicaciones

Polímeros conductores, cerámicas altamente tenaces, apantallamientos electromagnéticos, componentes para membranas y células solares, nano-osciladores en orden de giga-Hertz, puntas nanoscópicas, músculos artificiales.

• Materiales Nanoporosos

Los materiales nanoporosos vendrían a ser como esponjas pero con poros nanométricos, materiales en donde los poros ocupan una gran fracción de su volumen total y presentan una significativa cantidad de superficie por gramo.

Un material tan poroso en un área lo tan pequeña posible sirve para, por un lado, porque muchas reacciones ocurren más rápido sobre determinadas superficies, y por otro, porque podemos rellenar los poros con lo que queramos: polímeros, metales o diferentes tipos de moléculas lo que lleva a descubrir peculiares comportamientos del material. Esta posibilidad de combinación de materiales abre las puertas a una variedad asombrosa de aplicaciones.

Figura 4. Materiales Nanoporos [9]

• Aplicaciones

Catalizadores para reducir la emisión de contaminantes, aislantes, en aplicaciones medioambientales como purificación de aguas, eliminación de contaminantes, atrapadas y eliminación de metales pesados, células solares orgánicas, supercondensadores para almacenar energía, almacenamiento de gases.

• Nanofibras

Una nanofibra es una fibra  con diámetro menor a 500 nanómetros. Cuando los átomos de carbono se unen para construir un diamante lo hacen mediante cuatro enlaces covalentes y forman una rígida red tridimensional que le confiere a la preciada gema su proverbial dureza. Cuando se unen para construir grafito, los átomos de carbono lo hacen a través de tres enlaces covalentes situados en un plano; la estructura sigue siendo muy resistente en este plano pero es débil en dirección perpendicular. Una forma de aprovechar esta resistencia es orientar estos planos de forma que las direcciones de máximo esfuerzo estén contenidas en ellos. Basta imaginar un mil hojas y tirar en la dirección paralela a las hojas en vez de hacerlo en dirección perpendicular. Arrollando estas hojas, como si fueran las de un cigarro puro, se pueden obtener fibras de carbono muy resistentes [3].

Desde hace tiempo se han venido produciendo fibras de carbono con este material, la cuales se utilizan para fabricar implementos deportivos como palos de golf, cañas de pescar, para elaborar ciertas partes de bólidos de fórmula uno o incluso para diferentes partes aviones de combate.

Otra aplicación es la de protección contra bacterias, los agentes que componen la nanofibra absorben los elementos dañinos desconocidos y los descomponen por medios químicos, pero el problema radica en que se hace difícil desechar los agentes tóxicos producidos.

Figura 5. Nanofibras [10]

• Aplicaciones.

Filtros, tejidos, cosméticos, esterilización, separaciones biológicas, ingeniería de tejidos, biosensores, órganos artificiales, implantes, liberación controlada de fármacos [12]. Purificar el agua obteniendo la energía para hacerlo por medio de la luz del sol.

• Nanohilos

Un nanohilo  es un cable con un diámetro del orden de un nanómetro. Los nanohilos pueden ser definidos como estructuras que tienen un tamaño lateral restringido a diez o menos nanómetros por lo general, aunque científicos turcos en la Universidad Bilkent de Ankara están logrando crear nanohilos de 15 nanómetros de diámetro y de una longitud libre.

Los nanohilos debido a su relación longitud–ancho han sido considerados como materiales unidimensionales, por lo que presentan llamativas propiedades que no se han visto en materiales de 3 dimensiones, ya que en estos nanohilos no se producen efectos físicos cuánticos en los bordes. Por ello también se los llama hilos cuánticos.

Existen varios tipos de nanohilos, hilos metálicos semiconductores y aisladores, estos dependen del elemento con que se los produzca que puede variar desde el níquel a oro, platino, titanio o silicio… Los electrones, que transmiten la corriente, necesitan cierta cantidad de átomos juntos para transmitirse de forma fluida; cuando la anchura de su 'carretera' es menor, su movimiento se ve obstaculizado por los átomos del borde del material y se ralentiza [5]. Esto lleva a pensar que se obtendrán grandes velocidades de transmisión.

Figura 6. Nanohilos [11]

• Aplicaciones

Tiene gran potencial para ser aplicados en electrónica, dispositivos optoelectronicos, así como a dispositivos nanoenectromecanicos.

Conclusiones

Como se puede ver, el futuro esta basado en los nanomateriales, ya que al ser la nanotecnología una ciencia multidisciplinaria estará en prácticamente en todos los aspectos de la vida diaria, inmiscuida en cosas que van desde la ropa que vestimos hasta en los dispositivos electrónicos que usamos diariamente.

Las aplicaciones reales de la nanotecnologia ya están a la vista, y sus potenciales aplicaciones están abordando sus últimas fases de desarrollo para que puedan ser expuestas al mundo sin mayor tipo de riesgos. Los nanomateriales proporcionan nuevas y supremamente mejores características que la de los materiales normales originales de las cuales se derivan, estas propiedades simplemente son innumerables ya que el simple hecho de variar la geometría del material o el hecho de combinar las nanoparticulas con distintos tipos de elementos pueden resultar finalmente con una característica nueva la cual tendrá un extenso campo para su aplicación.

Finalmente, los nanomateriales al ser elementos autoadaptables e inteligentes, significarán una revolución tal como lo hicieron muchos materiales como el silicio que revolucionó la electrónica en su momento, pero con la diferencia de que ahora la nanotecnologia influirá directamente en un sinnúmero de diferentes campos, permitiendo dar grandes avances para la sociedad en un periodo de tiempo relativamente corto.

Referencias

[1] http://t3innovacion.larioja.org/uploads/media/Innovacion-Nanotecnologia.pdf Fecha: 5:06 12/01/2012

[2] http://www.opti.org/publicaciones/pdf/resumen10.pdf Fecha: 5:09 12/01/2012

[3] http://www.rac.es/ficheros/doc/00429.pdf Fecha: 5:10 12/01/2012

[4] http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/recursos_docentes/que_es_nanociencia.htm Fecha: 15:13 11/01/2012

[5] http://www.elmundo.es/elmundo/2011/06/27/nanotecnologia/1309170584.html Fecha: 0:15 12/01/2012

[6] http://copublications.greenfacts.org/es/nanotecnologias/index.htm Fecha: 23:22 11/01/2012

[7] http://www.vanguardia.com.mx/creannanocapsulasquepodrianservirparatratartumores-500755.html Fecha: 23:20 11/01/2012

[8] http://www.andaluciainvestiga.com/espanol/noticias/7/5968.asp Fecha: 23:27 11/01/2012

[9] http://www.andaluciainvestiga.com/espanol/noticias/5/4990.asp Fecha: 23:35 11/01/2012

[10] http://eliax.com/index.cfm?post_id=4682 Fecha: 23:41 11/01/2012

[11] http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2007/02/09/nanolaseres-de-nanohilos/ 0:21 12/01/2012

[12] http://www.phantomsnet.net/Resources/files/Nanomateriales_alta.pdf 15:04 12/01/2012

Autor:

Luis Christian Criollo Ordóñez

Docente: Ing. René Ávila

Ecuador-Azuay-Cuenca